论文部分内容阅读
有机半导体对有机电子器件的发展和应用至关重要。在过去几十年里,p型有机半导体取得了巨大的发展,相比之下,n型有机半导体在分子结构多样性和器件性能方面（如电子迁移率）仍远远落后于p型有机半导体,急需提升其性能表现。多稠环梯型共轭分子因具有良好的溶解性、易调控的前线分子轨道能级和良好的骨架平面性被广泛应用于设计高性能的p型有机半导体。而本论文中,我们通过引入强的拉电子单元,旨在利用多稠环梯型共轭单元来设计合成新型的n型有机半导体并开展电子器件性能研究。通过改变强拉电子单元在多稠环梯型共轭单元上的连接位置和方式,多稠环梯型共轭分子可用来设计两类n型有机半导体。在多稠环梯型共轭分子的两端连接强拉电子单元可设计A-D-A型非富勒烯受体;在多稠环梯型共轭分子的骨架中引入拉电子的基团可设计具有n型传输性质的多稠环梯型共轭分子。最终,通过设计合成一些新型的多稠环梯型共轭单元,然后引入强拉电子单元,我们设计合成出了一些具有高性能的n型有机半导体。首先,含有硒原子的五元梯型稠环单元（IDSe）被用来设计合成一种A-D-A型的非富勒烯受体材料（IDSe-T-IC）。基于J51:IDSe-T-IC的聚合物太阳能电池最大的PCE为8.6%,Voc为0.91 V,Jsc为15.20 m A cm-2,填充因子（FF）为62.0%。基于J51:IDSe-T-IC电池器件的性能相比同等器件制备条件下基于J51:PC71BM的太阳能电池的器件性能（PCE=6.0%）高出很多。其次,通过增加五元梯型稠环单元（IDT）的稠环个数,我们将IDT从五元稠环扩增至十元稠环并设计合成了具有十元稠环的梯型单元IDTIDT。基于该十元梯型稠环单元,我们得到了A-D-A型非富勒烯受体材料IDTIDT-IC。以IDTIDT-IC为受体PTB7-Th为给体的太阳能电池最高的PCE为6.5%,Voc为0.94V,Jsc为14.49 m A cm-2,填充因子（FF）为47.5%。而且,基于受体材料IDTIDT-IC的太阳能电池在高外量子效率（EQE为63%）的同时表现出较小的能量损失（0.59e V）。最后,我们将传统的多稠环梯型单元（IDT）中的环戊二烯替换成环戊二酰亚胺。于是,具有富电子性的IDT单元可以被转换成具有缺电子性的BBI单元。基于该BBI单元我们也设计合成了三个D-A型共聚物,这三个共聚物均表现出n型的传输性质并具有较高的电子迁移率,最高电子迁移率可以达到0.34 cm2 V-1s-1。由此可见,多稠环梯型共轭单元可作为基本的分子构造单元用于设计高性能的n型有机半导体,例如A-D-A型的非富勒烯受体或具有n型传输特性的D-A共聚物,并应用于有机太阳能电池或有机场效应晶体管中。